(57)【要約】【課題】本発明は、ガスケットと電解質膜の接合性の不充分さや接着剤を用いることによる製造工程の複雑化、フッ素系材料による高コスト化という問題点を解決する。【解決手段】芳香族系高分子電解質膜１と、芳香族系高分子電解質膜１の周辺部に接着された環状のガスケット４と、を備え、ガスケット４の芳香族系高分子電解質膜１と接する面の材料が芳香族系高分子を含む、燃料電池用膜−ガスケット複合体を提供する。【選択図】図１
2010219029.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
芳香族系高分子電解質膜と、前記芳香族系高分子電解質膜の周辺部に接着された環状のガスケットと、を備え、前記ガスケットの前記芳香族系高分子電解質膜と接する面の材料が芳香族系高分子を含む、燃料電池用膜−ガスケット複合体。
【請求項２】
前記芳香族系高分子電解質膜における芳香族系高分子電解質と、前記ガスケットを構成する芳香族系高分子とが、互いに同一の繰り返し単位を少なくとも１種含有する、請求項１に記載の燃料電池用膜−ガスケット複合体。
【請求項３】
前記芳香族系高分子電解質膜における芳香族系高分子電解質と、前記ガスケットを構成する芳香族系高分子とが、互いに同一の繰り返し単位からなるセグメントを有する、請求項２に記載の燃料電池用膜−ガスケット複合体。
【請求項４】
前記同一の繰り返し単位が、下記の一般式（１）で示される繰り返し単位である、請求項２または３に記載の燃料電池用膜−ガスケット複合体。
【化１】
2010219029.tif 000009
【請求項５】
前記同一の繰り返し単位が、下記の一般式（２）で示される繰り返し単位である、請求項２または３に記載の燃料電池用膜−ガスケット複合体。
【化２】
2010219029.tif 000010
【請求項６】
前記環状のガスケットの内側における前記芳香族系高分子電解質膜上にさらに触媒層を有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池用膜−ガスケット複合体。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の膜−ガスケット複合体を備える燃料電池。
【請求項８】
芳香族系高分子電解質膜の周辺部に、前記芳香族系高分子電解質膜と接する面の材料が芳香族系高分子を含むガスケットを接着する工程を備える、燃料電池用膜−ガスケット複合体の製造方法。
【請求項９】
前記接着する工程において、前記芳香族系高分子電解質膜の周辺部に、溶融した芳香族系高分子を含む材料を接触させる、請求項８に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用膜−ガスケット複合体及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題に対応するためのクリーンな電力供給源として、燃料電池への期待が高まっている。燃料電池の単セルは、電解質膜の両面に、アノードおよびカソードの触媒層（電極）及びガス拡散層を配置し、さらにガスシール部材と、反応ガス流路及び電子伝導性を有するセパレータとを組み合わせることにより構成され、この単セルを複数積層することにより燃料電池のスタックが構成される。
【０００３】
このうち、ガスシール部材（以下、「ガスケット」という）は、電解質膜と接着されて、燃料電池の外部へ反応ガスが漏洩するのを防止する機能や、セパレータ同士を電気的に絶縁する機能を有している。
【０００４】
このようなガスケットの材料として、従来から、シリコーン系ゴムやフッ素系ゴム、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）等が使用されてきている。例えば、特許文献１には、少なくとも２種以上のゴムまたは樹脂材料を組み合わせた燃料電池用ガスケットが開示されている。具体的な組み合わせの例としては、シリコーンゴムとフッ素ゴム、ＥＰＤＭとフッ素ゴム、シリコーンゴムとブチルゴム、ＥＰＤＭとブチルゴム、シリコーンゴムと樹脂材料、ＥＰＤＭと樹脂材料等が挙げられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−０５５４２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来のガスケットは電解質膜との接着性に乏しいという課題があった。また、ガスケットと電解質膜との層間に接着剤層を設けることで接着性を改良することも考えられるが、接着剤を用いると、接着剤塗布工程や接着剤の接着性を管理する工程等を要して工程数が増加し、その結果としてコストが上昇する等の問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、接着剤を用いることなく、ガスケットと電解質膜とを高い接着力で接合させうる燃料電池用膜−ガスケット複合体及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る燃料電池用膜−ガスケット複合体は、芳香族系高分子電解質膜と、芳香族系高分子電解質膜の周辺部に接着された環状のガスケットと、を備え、ガスケットの芳香族系高分子電解質膜と接する面の材料が芳香族系高分子を含む。
【０００９】
本発明によれば、ガスケットの芳香族系高分子電解質膜と接する面の材料が芳香族系高分子を含むことにより、芳香族系高分子同士が接着されることとなり、芳香族系高分子電解質膜とガスケットの接着性が強固となる。
【００１０】
ここで、芳香族系高分子電解質膜を構成する芳香族系高分子電解質と、ガスケットを構成する芳香族系高分子とが、互いに同一の繰り返し単位を少なくとも１種含有することが好ましい。
【００１１】
芳香族系高分子電解質膜を構成する芳香族系高分子電解質と、ガスケットを構成する芳香族系高分子とが、互いに同一の繰り返し単位を少なくとも１種含有することによって、膜とガスケットの接合性がより強固となる。
【００１２】
また、芳香族系高分子電解質膜を構成する芳香族系高分子電解質と、ガスケットを構成する芳香族系高分子とが、互いに同一の繰り返し単位を少なくとも１種含有する場合、前記芳香族系高分子電解質および前記芳香族系高分子にある同一の繰り返し単位がセグメント（同一の繰り返し単位からなるセグメント）を構成していることが好ましい。このようにすると、膜とガスケットの接合性がより一層強固となる傾向がある。
【００１３】
また、上記の同一の繰り返し単位が、下記の一般式（１）で示される繰り返し単位であることが好ましい。
【化１】
2010219029.tif 000003
【００１４】
また、上記の同一の繰り返し単位は、下記の一般式（２）で示される繰り返し単位であってもよい。
【化２】
2010219029.tif 000004
【００１５】
また、環状のガスケットの内側における芳香族系高分子電解質上にさらに触媒層を有することが好ましい。
【００１６】
電解質膜は触媒層と一体になることによって、膜−電極複合体という発電部を形成する。
【００１７】
本発明に係る燃料電池は、上記の膜−ガスケット複合体を備える。
【００１８】
上記の膜−ガスケット複合体を有する燃料電池は、ガスケットと電解質膜の接合性が優れていることから、水素や空気等のガスリーク性が低い。また、接着剤を使用しなくてもよいので、製造工程が簡素化され、コストが低い。
【００１９】
本発明に係る膜−ガスケット複合体の製造方法は、芳香族系高分子電解質膜の周辺部に、芳香族系高分子電解質膜と接する面の材料に芳香族系高分子を含むガスケットを接着する工程を備える。
【００２０】
ガスケットの上記電解質膜と接する面が芳香族系高分子であることによって、芳香族系高分子同士が接着されることとなり、強固に接合された膜−ガスケット複合体が製造できる。
【００２１】
本発明に係る膜−ガスケット複合体の製造方法における接合工程においては、芳香族系高分子電解質膜の周辺部に、溶融した芳香族系高分子を接触させることが好ましい。
【００２２】
溶融した芳香族系高分子を接触させることによって、膜とガスケットが強固に接合した、膜−ガスケット複合体を容易に製造できる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、接着剤を用いることなく、ガスケットと電解質膜とを高い接着力で接合させうる燃料電池用膜−ガスケット複合体及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態に係る膜−ガスケット複合体２０の一部破断斜視図である。
【図２】本発明の他の実施形態に係る膜−ガスケット複合体２０の一部破断斜視図である。
【図３】本発明の実施形態に係る燃料電池単セル１００の一部破断斜視図である。
【図４】金型を用いて膜−複合ガスケット複合体を製造する方法を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面を参照しながら、好適な実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面は理解を容易にするため一部を誇張して描いており、寸法比率は説明のものとは必ずしも一致しない。
【００２６】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態にかかる燃料電池用膜−ガスケット複合体２０の一部破断斜視図である。第１実施形態に係る燃料電池用膜−ガスケット複合体２０は、主として、芳香族系高分子電解質膜１、一対のガスケット４、一対の触媒層２、一対のガス拡散層３を備える。
【００２７】
（芳香族系高分子電解質膜）
芳香族系高分子電解質膜１の形状は特に限定されないが、例えば、図１に示すように矩形状をなすことが好ましい。芳香族系高分子電解質膜１は、芳香族系高分子電解質から形成された膜である。芳香族系高分子電解質とは、主鎖に芳香族環を有し、側鎖又は主鎖にイオン交換性基を有する高分子である。
【００２８】
芳香族系高分子電解質としては、主鎖に芳香族環を含むものであれば特に限定はなく、例えば、ポリフェニレンエーテル系、ポリナフチレン系、ポリフェニレン系、ポリフェニレンスルフィド系、ポリエーテルエーテルケトン系、ポリエーテルエーテルスルホン系、ポリエステル系、ポリスルホン系、ポリエーテルスルホン系、ポリエーテルケトン系、ポリベンズイミダゾール系の高分子などがあげられる。
【００２９】
イオン交換性基としては、例えば、−ＳＯ3Ｈ、−ＣＯＯＨ、−ＰＯ（ＯＨ）2、−ＰＯＨ（ＯＨ）、−ＳＯ2ＮＨＳＯ2−、−Ｐｈ（ＯＨ）（Ｐｈはフェニル基を表す）等の陽イオン交換基、−ＮＨ2、−ＮＨＲ、−ＮＲＲ’、−ＮＲＲ'Ｒ'';、−ＮＨ3+等（Ｒ、Ｒ’、Ｒ''は、それぞれ、アルキル基、シクロアルキル基、アリール基等を表し、互いに同一であっても異なっていてもよい）等の陰イオン交換基が挙げられる。これらのイオン交換性基は、高分子の主鎖を構成している芳香族環に直接置換していても、主鎖を構成している芳香族環上や脂肪族鎖上の置換基や側鎖に導入されていても、また、それらの組み合わせであってもよい。これらの基は、その一部または全部が対イオンとの塩を形成していてもよい。
【００３０】
これらの中でも、陽イオン交換性基が好ましく、より好ましくはスルホン酸基、ホスホン酸基、特に好ましくはスルホン酸基である。
【００３１】
また芳香族系高分子電解質の代表例としては、主鎖に芳香族環を有する高分子にスルホン酸基および／またはホスホン酸基を導入した高分子電解質が挙げられる。
【００３２】
主鎖に芳香族環を有する高分子としては、特に、主鎖が酸素原子等のヘテロ原子で中断されているものが好ましく、例えば、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエステル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリ（アリーレンエーテル）、ポリイミド、ポリフェニレン、ポリ（（４−フェノキシベンゾイル）−１，４−フェニレン）、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニルキノキサレン等の重合体のそれぞれにスルホン酸基やホスホン酸基などのイオン交換性基が導入されたもの、スルホアリール化ポリベンズイミダゾール、スルホアルキル化ポリベンズイミダゾール、ホスホアルキル化ポリベンズイミダゾール（例えば、特開平９−１１０９８２号公報）、ホスホン化ポリ（フェニレンエーテル）（例えば、Ｊ．Ａｐｐｌ.Ｐｏｌｙｍ．Ｓｃｉ．，１８，１９６９(１９７４)）等が挙げられる。
【００３３】
このような芳香族系高分子電解質としては、例えばイオン交換性基が導入された繰り返し単位とイオン交換性基が実質的に導入されていない繰り返し単位とをそれぞれ一つ以上有する交互共重合体やランダム共重合体（例えば、特開平１１−１１６６７９号公報）、イオン交換性基が導入されたセグメントとイオン交換性基が実質的に導入されていないセグメントとをそれぞれ一つ以上有するブロック共重合体（例えば、特開２００１−２５０５６７号公報）が挙げられる。なかでもイオン交換性基が導入されたセグメントとイオン交換性基が実質的に導入されていないセグメントとをそれぞれ一つ以上有するブロック共重合体が好ましく、そのイオン交換性基としては、スルホン酸基および／またはホスホン酸基が好ましく、とりわけスルホン酸基である場合が好ましい。また、イオン交換性基が実質的に導入されていない繰り返し単位としては、例えば、下記一般式（１）、（２）で表される繰り返し単位が挙げられる。また、イオン交換性基が実質的に導入されていないセグメントがポリエステルの構造を有しているものでもよく、この場合のセグメントは下記一般式（３ａ）〜（３ｇ）で表される繰り返し単位を組み合わせたポリエステル構造であるセグメントを挙げることができる。なお、ここでいうイオン交換性基が実質的に導入されていないセグメントが、前記ガスケットにおける芳香族系高分子と同一のセグメントであると好ましい。なお、ここでいうセグメントとは、高分子電解質中にある互いに化学的性質の異なる分子鎖を意味するものであり、この分子鎖がイオン交換性基を特定量以上有しているかどうかで、「イオン交換性基が導入されたセグメント」と「イオン交換性基が実質的に導入されていないセグメント」とを区別する。具体的には、５個以上の繰り返し単位からなる分子鎖（セグメント）を見たとき、当該セグメントの繰り返し単位１個当たりに平均０．５個以上のイオン交換基を有するものを、「イオン交換性基が導入されたセグメント」とする。一方、５個以上の繰り返し単位からなる分子鎖（セグメント）を見たとき、当該セグメントの繰り返し単位１個当たりに平均０．１個以下しか、イオン交換性基を有しないものを、「イオン交換性基が導入されていないセグメント」とする。
【化１】
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【化２】
2010219029.tif 000006
【化３】
2010219029.tif 000007
【００３４】
一般式（１）で示される繰り返し単位を有するポリエーテルスルホン系高分子は、熱可塑性樹脂として耐熱性が高く、耐薬品性にも優れており、スルホン酸基がイオン交換性基として導入された繰り返し単位と一般式（１）で示される繰り返し単位をそれぞれ一つ以上有する共重合体は、燃料電池用の炭化水素系高分子電解質膜として好適である。特に、一般式（１）で示される繰り返し単位からなるポリエーテルスルホン系構造のセグメント（イオン交換性基が実質的に導入されていないセグメント）と、イオン交換性基が導入された繰り返し単位からなるセグメント（イオン交換性基が導入されたセグメント）と、を有するブロック共重合体が、芳香族系高分子電解質膜とガスケットとの間に強固な接着性を発現するので、より好ましい。
また、一般式（２）で示される繰り返し単位を有するポリエーテルエーテルケトン系高分子も、耐熱性および耐薬品性にも優れており、スルホン酸基がイオン交換性基として導入された繰り返し単位と一般式（２）で示される繰り返し単位をそれぞれ一つ以上有する共重合体、特に、このようなポリエーテルエーテルケトン系構造のセグメントと、イオン交換性基が導入されたセグメントと、を有するブロック共重合体が燃料電池用の炭化水素系高分子電解質膜として好適である。
あるいは、一般式（３ａ）〜（３ｇ）で示される繰り返し単位を組み合わせたポリエステル系高分子は、液晶性を有する熱可塑性樹脂であり、耐熱性および耐薬品性に優れるだけでなく、高い機械強度を有していることから、このようなポリエステル系構造をイオン交換性基が実質的に導入されていないセグメントとして有するブロック共重合体も、本発明における炭化水素系高分子電解質膜として適用することができる。
これらの例示の中でも、前記ガスケットを構成する材質がポリエーテルスルホン系高分子又はポリエーテルエーテルケトン系高分子である場合、該ガスケットが経済性あるいは汎用性という点で優れているので、該炭化水素系高分子電解質膜を構成するブロック共重合体としては、ポリエーテルスルホン系構造のセグメント又はポリエーテルエーテルケトン系構造のセグメントを有するものが好ましい。
【００３５】
本発明に使用される芳香族系高分子電解質は、その分子量が、ＧＰＣ法によるポリスチレン換算の数平均分子量で表して、通常１０００〜１００００００が好ましく、下限としては５０００以上、とりわけ１００００以上が好ましく、上限としては５０００００以下、とりわけ３０００００以下が好ましい。
【００３６】
ここで、数平均分子量が１０００より小さいと膜強度が低下する傾向にあり、１００００００より大きいと溶媒への溶解に時間がかかったり、溶液粘度が高くなり過ぎたりして製膜加工が困難になる傾向があり、いずれの場合も好ましくない。
【００３７】
また芳香族系高分子電解質のイオン交換容量は、１.０〜８.０ｍｅｑ／ｇが好ましく、下限としては１.５ｍｅｑ／ｇ以上がより好ましく、２.０ｍｅｑ／ｇ以上が特に好ましい。上限としては７.０ｍｅｑ／ｇ以下がより好ましく、６.０ｍｅｑ／ｇ以下が特に好ましい。イオン交換容量がこの範囲であると、イオン伝導度が十分となり、実用的な出力の燃料電池が得られるだけでなく、前記芳香族系高分子電解質膜の耐水性が優れることから、膜の吸水膨潤に対する劣化が十分抑制され、耐久性に優れた燃料電池を得ることができる。
【００３８】
本発明に使用される芳香族系高分子電解質膜は、上記のような高分子電解質からなるものであるが、必要に応じ、通常使用される可塑剤、安定剤、離型剤、保水剤等の添加剤を、プロトン伝導能を著しく妨げない範囲内で含有することもできる。
【００３９】
特に、触媒層において過酸化物が生成し、生成した過酸化物が拡散しながらラジカル種に変化して高分子電解質を劣化させることが知られており、このことから耐ラジカル性を付与する安定剤の添加が望ましい。このような安定剤として、例えば４，４’−ブチリデンビス（２−ｔ−ブチル−５−メチルフェノール）（住友化学（株）製、商品名：スミライザーＢＢＭ−Ｓ）のようなフェノール系化合物、２,４,８,１０−テトラ−ｔ−ブチル−６−［３−（３−メチル−４−ヒドロキシ−５−ｔ−ブチルフェニル）プロポキシ］ジベンゾ［ｄ,ｆ］[１,３,２]ジオキサホスフェピン（住友化学（株）製、商品名：スミライザーＧＰ）のようなリン原子を含む化合物、さらにはペンタエリトリチル−テトラキス−（３−ドデシルチオプロピオネート）（住友化学（株）製、商品名：スミライザーＴＰ−Ｄ）のような硫黄原子を含む化合物などのような低分子化合物や、これらの低分子化合物の有する水酸基、リン原子を含む官能基を持つ高分子化合物が挙げられる。中でも特開２００３−２３８６７８号公報や特開２００３−２８２０９６号公報に記載のホスホン酸基等が直接芳香族環に結合した芳香族系高分子ホスホン酸類の効果が高く、好適に用いられる。なお、これら芳香族系高分子ホスホン酸類は、本発明における芳香族系高分子電解質としても使用し得るので、これらホスホン酸基を有する高分子電解質とスルホン酸基を有する高分子電解質からなる組成物も、本発明の芳香族系高分子電解質膜の好ましい成分となることはいうまでもない。
【００４０】
ここで、添加剤を用いる場合の添加量は、膜重量に対して０．１重量％〜２０重量％が好ましい。０．１重量％よりも低いと添加剤の効果が十分に発揮されない傾向にあり、また２０重量％より高いと高分子電解質膜のプロトン伝導度が下がる傾向にあり、それぞれ好ましくない。
【００４１】
芳香族系高分子電解質膜の厚みに特に制限はないが、３〜２００μｍが好ましく、４〜１００μｍがより好ましく、５〜５０μｍがさらに好ましい。膜厚が薄すぎると膜強度が低下する傾向にあり、膜厚が厚すぎると電気抵抗が高くなり、固体高分子型燃料電池の隔膜として好ましくない。
【００４２】
（ガスケット）
ガスケット４は、環状形状をなし、芳香族系高分子電解質膜１の各主面の周辺部にそれぞれ接着されている。ガスケット４は、燃料電池に供給される、燃料である水素や、酸化剤である空気や酸素などが、燃料電池の外に漏れないようにするための部材であり、ガス拡散層３の外周部に配置され、芳香族系高分子電解質膜１と後述するセパレータとの間に、ガスシール性を高め電子絶縁性を有する部材として、クリアランスを設けることなく環状に配置されるものである。
【００４３】
ガスケット４は、少なくとも芳香族系高分子電解質膜１と接する面の材料が芳香族系高分子を含む。ガスケット４の芳香族系高分子は、主鎖に芳香族環を有する高分子であり、好ましくは熱可塑性樹脂である。ガスケット４の芳香族系高分子は、芳香族系高分子電解質膜１の高分子電解質とは異なり、イオン交換性基は必須でなく、イオン交換性基を有しないことが好ましい。
【００４４】
主鎖に芳香族環を有する高分子は、特に限定されないが、例えば、主鎖が酸素原子等のヘテロ原子で中断されているものが挙げられ、かかる芳香族系高分子としては、例えば、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリ（アリーレンエーテル）、ポリイミド、ポリフェニレン、ポリ（（４−フェノキシベンゾイル）−１，４−フェニレン）、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニルキノキサレン等の重合体等が挙げられる。
【００４５】
本実施形態においては、芳香族系高分子電解質膜１における芳香族系高分子電解質と、ガスケットにおける芳香族系高分子とが、互いに同一の繰り返し単位を少なくとも１種含有することが好ましい。芳香族系高分子電解質膜における芳香族系高分子電解質と、ガスケットにおける芳香族系高分子とが、互いに同一の繰り返し単位を少なくとも１種含有することによって、接着剤を使用しなくても、膜とガスケットの接合性がより強固となるからである。
【００４６】
同一の繰り返し単位としては、上記の一般式（１）や一般式（２）で示される繰り返し単位が好ましい。
【００４７】
ガスケット４の芳香族系高分子電解質膜１と接する面の材料は、芳香族系高分子のみからなってもよいが、必要に応じ、通常使用される、各種フィラー、顔料、可塑剤、安定剤、離型剤、保水剤等の添加剤や、芳香族系高分子以外の高分子（他の高分子）を、接着性を著しく妨げない範囲内で含有してもよい。ガスケット４の芳香族系高分子電解質膜１と接する面の材料における、芳香族系高分子の濃度は１〜１００重量％が好ましい。
【００４８】
なお、図１においては、ガスケット４は、芳香族系高分子を含む単一の材料から形成されているが、芳香族系高分子電解質膜１と接する面の材料が芳香族系高分子を含むのであれば、芳香族系高分子を含む材料と、芳香族系高分を含まない材料と、を組み合わせてなる複合ガスケットを採用しても本発明の実施は可能である。例えば、図２は、芳香族系高分子を含み芳香族系高分子電解質膜１と接合された第１層４ａと、この第１層４ａの上に積層され芳香族系高分子を含まない第２層４ｂとを有する複合ガスケットを用いた、燃料電池用膜−ガスケット複合体２０である。また、芳香族系高分子を含まない部分は、ガスケット中に例えば骨材等として埋設されていてもよい。
【００４９】
ガスケット４に使用する芳香族系高分子は、市場から入手できる市販品を使用することができる。このような市販品を例示すると、前記ポリエーテルスルホン系高分子としては、住友化学（株）製スミカエクセル等が挙げられ、前記ポリエーテルエーテルケトン系高分子としては、住友ベークライト（株）製ＰＥＥＫ等、前記ポリエステル系高分子としては、住友化学（株）製スミカスーパー等を挙げることができる。また、このような市販の芳香族系高分子からなる高分子膜（フィルム）も種々の厚みのものを市場から容易に入手することができる。
【００５０】
芳香族系高分子を含まない材料としては、例えば、オレフィン系ゴムやシリコーンゴム、フッ素ゴム等のゴムなどが挙げられる。また、芳香族系高分子を含まない骨材としては、ガラス繊維、セラミック繊維等の繊維が好適である。
【００５１】
また、芳香族系高分子を含まない第２層４ｂの材料として、図２のようにゴム層を含む場合、柔軟性が高まり、燃料電池セルの締め付け強度を上げられることによって、ガスリークの防止性をより高くすることができる。
【００５２】
（触媒層）
触媒層２は、ガスケット４の内側において芳香族系高分子電解質膜１の両面上にそれぞれ設けられている。触媒層２は、電極反応に対して触媒活性を有する電極触媒を含有する。電極触媒としては、電極反応に対して触媒活性を有するものであれば特に限定されず、電極触媒として一般的に用いられているものを用いることができる。通常は、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、又はそれらの合金等が挙げられる。好ましくは、白金、及び白金−ルテニウム合金等の白金合金である。
【００５３】
さらに、触媒層での電子の輸送を容易にするため、導電性材料を担持体として用い、この担持体の表面に触媒物質を担持させたもの（触媒担持体）を触媒層２に用いると、特に好ましい。導電性材料としては、カーボンブラックやカーボンナノチューブなどの導電性カーボン材料などがあげられる。
【００５４】
（ガス拡散層）
ガス拡散層３は、ガスケット４の内側において触媒層２の上にそれぞれ設けられている。ガス拡散層３は、ガス流路から供給される反応ガスを速やかに触媒層２に拡散させ、かつ電子伝導性の高いものであれば特に制限はないが、例えばカーボンペーパーやカーボンクロスなどがあげられる。
【００５５】
（燃料電池単セル）
続いて、図３を参照して、このような燃料電池用膜−ガスケット複合体２０を用いた燃料電池単セル１００について説明する。本実施形態の燃料電池単セル１００では、上述の燃料電池用膜−ガスケット複合体２０を、一対のセパレータ５で両側から挟んでいる。これにより、セパレータ５の外周部と芳香族系高分子電解質膜１の外周部との間がガスケット４によってシールされることとなる。
【００５６】
セパレータ５は、芳香族系高分子電解質膜１の形状に対応した形状をなしており、図では省略されているが、ガス拡散層３側には、外部からガス拡散層３を介して触媒層２に供給するための水素、酸素、空気等のガスの流路や、生成される水やガスを排出する流路がそれぞれ形成されている。
【００５７】
セパレータ５の材料に特に制限はなく、有機材料や、金属や合金等の無機材料を用いることができる。特に、セパレータ５の材料として、電子伝導性が高く、電気化学反応で生じる電圧のロスが極力抑制されるものが望ましい。また、燃料電池の運転開始から定常運転までの起動性を高める観点から、高い熱伝導率を有する材料が好ましく、燃料ガスの散逸を防止するため、ガスバリア性の高い材料が好ましい。
【００５８】
そして、この燃料電池単セル１００を複数積層して高出力化することにより燃料電池スタックを構成することができる。
【００５９】
なお、芳香族系高分子電解質膜１、一対の触媒層２、及び、一対のガス拡散層３が、膜−電極接合体１０を構成し、膜−電極接合体１０及び一対のガスケット４が、膜−ガスケット複合体２０を構成する。
【００６０】
（燃料電池用膜−ガスケット複合体の製造方法）
次に、上述の燃料電池用膜−ガスケット複合体の製造方法について説明する。
【００６１】
まず、上述の芳香族系高分子電解質膜１を用意する。芳香族系高分子電解質膜１については、公知の方法により製造できる。続いて、芳香族系高分子電解質膜１の周辺部に、上述のガスケット４を接着する。接着の方法は、接着剤を用いずに直接ガスケット４を芳香族系高分子電解質膜１に対して接着するものであれば特に限定されない。例えば、予め、芳香族系高分子電解質膜１の周辺部の形状に合わせて環状に形成された固体状のガスケット４を、芳香族系高分子電解質膜１の周辺部に重ねあわせ、これらを熱プレスや超音波溶接、レーザー溶接等することにより、ガスケット４を芳香族系高分子電解質膜１の周辺部に接着してもよい。この予め環状に形成された固体状のガスケットの製造法としては、一般的に用いられる溶剤キャスト法や、溶融押出成形、射出成形、打ち抜き成形等の方法を適宜組み合わせて作製することができる。また、例えば、ガスケット４の形状を規定する金型内に芳香族系高分子電解質膜１を配置し、溶融した芳香族系高分子を含む材料を金型内に注入して芳香族系高分子電解質膜１の周辺部に接触させ、その後固化させることにより、ガスケット４を芳香族系高分子電解質膜１に接着してもよい。勿論金型を用いずに、溶融した芳香族系高分子を含む材料を芳香族系高分子電解質膜１の周辺部に塗布しても実施は可能である。また、他の手法として、上記芳香族系高分子電解質膜１やガスケット４の接着面を、溶媒によって溶解させ接着させる手法も好適な態様である。しかし、接着に使用した溶媒が残留すると、燃料電池触媒への被毒等によって電池特性が低下することが懸念されるため、上記接着方法の中では、熱的に溶融させ接合させる手法がより好ましい。
【００６２】
図４は、金型を用いた、膜−ガスケット複合体の製造装置を示している。金型を用いる、いわゆる射出成形方法では、まず、膜−ガスケット複合体のサイズと一致し、ガスケット４の形状を規定するギャップＧを形成する金型６ａ，６ｂを準備し、金型６а、６ｂのギャップＧ内に、芳香族系高分子電解質膜１の両面中央部に触媒層２及びガス拡散層３を設けた構造体Ａを配置する。そして、金型の注入口である７а、７ｂから、ガスケットの材料となる芳香族系高分子の溶融物を、芳香族系高分子電解質膜１と金型６ａ，６ｂとの隙間４ａ，４ｂ内に注入して芳香族系高分子電解質膜と接触させ、その後放熱などにより冷却する。これにより、ガスケット４が形成され、膜−ガスケット複合体２０が完成する。
【００６３】
なお、芳香族系高分子以外の材料を含む複合ガスケットを接着する場合も上記と同様にすればよく、例えば、予め製造した複合ガスケットを芳香族系高分子電解質膜１に対して接着してもよく、また、金型内に芳香族系高分子以外の材料を配置した上で、金型内に芳香族系高分子を含む材料を注入してガスケットを接着してもよい。
【００６４】
本実施形態によれば、ガスケット４のうち芳香族系高分子電解質膜１と接する面が芳香族系高分子を含み、芳香族系高分子同士が接着されることとなるので、接着剤を使用することなく、芳香族系高分子電解質膜１とガスケット４の接着性を強固にできる。
【実施例】
【００６５】
以下実施例により本発明を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
まず、芳香族系高分子電解質膜の製造用として、ＷＯ２００８／０６６１８８号パンフレットに記載の方法に従い、下記の一般式（４）で示される繰り返し単位を有するブロック共重合体の高分子電解質（ＢＣＰ−１）を合成した。なお、ｎ、ｍはそれぞれのブロックを構成する繰り返し構造のブロック共重合体中の重合度を示し、「ｂｌｏｃｋ」はブロック共重合体であることを示す。
【化４】
2010219029.tif 000008
前記ＢＣＰ−１をＤＭＳＯ（ジメチルスルホキシド）に溶解して、その濃度が８.５重量％の高分子電解質溶液を調製した。これを高分子電解質溶液（Ａ）とする。
得られた高分子電解質溶液（Ａ）を、スロットダイを用い、支持基材として用いるポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム（巾３３０ｍｍ、長さ５００ｍ）に連続的に流延塗布して、連続的に乾燥炉（設定温度９０℃）へと搬送し、有機溶媒（ＤＭＳＯ）を除去して、高分子電解質膜中間体（層厚１０μｍ）をＰＥＴフィルム上に形成させ、積層フィルム１を得、このまま２Ｎ硫酸に２時間浸漬後、水洗を行った。さらに風乾した後、ＰＥＴフィルムより剥離し、厚み２０μｍ、大きさが１０×１０ｃｍの芳香族系高分子電解質膜（電解質膜）を用意した。
【００６６】
次に、厚み１００μｍのポリエーテルスルホン系高分子膜から、枠の幅が１０×１０ｃｍ、開口部８×８ｃｍの枠状のガスケットを切り出した。
【００６７】
次に、ポリエーテルスルホン系の電解質膜の上に、上記のガスケット４を配置し、熱プレス板を用いて、２００〜２５０℃で、３分間、プレスして、電解質膜とガスケットを接着した。このプレスの圧力は最大１００ｋｇｆ／ｃｍ２とした。実施例１の膜−ガスケット複合体２０は、接合性が良好であった。
【００６８】
（比較例１）
ガスケットの材料をフッ素ゴムとする以外は、実施例と同様にして膜−ガスケット複合体２０を作製した。比較例１の膜−ガスケット複合体２０は、接合性が悪く、電解質膜からガスケットがすぐに剥がれてしまった。
【符号の説明】
【００６９】
１…電解質膜、２…触媒層、３…ガス拡散層、４…ガスケット、５…セパレータ、６а，６ｂ…金型６ｂ、７а、７ｂ…樹脂注入口、１０…膜−電極接合体、２０…膜−ガスケット複合体、１００…燃料電池単セル。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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